光學(xué)頻率梳具有超快的時(shí)間分辨率和超高的頻率精度，為研究和探索自然規(guī)律提供了更大的平臺(tái)，經(jīng)過十多年展，已經(jīng)成為精密光譜測(cè)量、基礎(chǔ)物理常數(shù)確定、天文測(cè)量以及量子光學(xué)操控等前沿科學(xué)領(lǐng)域的理想光源。
雙光學(xué)頻率梳3d快速成像實(shí)驗(yàn)裝置圖
得益于光學(xué)頻率梳的迅猛發(fā)展，各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域快速推進(jìn)，產(chǎn)生了許多新的測(cè)量技術(shù)。其中，雙光學(xué)頻率梳測(cè)量技術(shù)作為一種革命性的測(cè)量手段，引起了廣泛的關(guān)注。它利用高系數(shù)下轉(zhuǎn)換因子將高頻光學(xué)頻率信息轉(zhuǎn)換到普通探測(cè)器可識(shí)別的射頻波段，提高測(cè)量精度的同時(shí)*地縮短光譜取樣時(shí)間。它有別于傳統(tǒng)傅里葉變換測(cè)量技術(shù)，具有高速測(cè)量、無需復(fù)雜機(jī)械掃描、寬波段和高分辨率等特性，自2002年提出，就作為一種的測(cè)量工具被廣泛應(yīng)用到精密光譜測(cè)量、距離測(cè)量、化學(xué)傳感、非線性光譜成像以及耗散波探測(cè)等領(lǐng)域。隨著技術(shù)的發(fā)展，與更多激光技術(shù)相結(jié)合以拓展應(yīng)用領(lǐng)域已成為雙光學(xué)頻率梳測(cè)量技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)。
近，實(shí)驗(yàn)室的李文雪課題組開展了基于光譜編碼的雙光學(xué)頻率梳3d快速成像研究，將雙光學(xué)頻率梳測(cè)量技術(shù)、一維光譜編碼技術(shù)和光學(xué)參考技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了距離、樣品2d反射率圖像和3d形貌圖像的快速同時(shí)獲取。兩個(gè)激光源均為寬帶的鎖模脈沖激光器，重復(fù)頻率略有差別，分別作為信號(hào)光源和本地光源。不同于單點(diǎn)測(cè)距系統(tǒng)，利用光譜編碼技術(shù)，探測(cè)光經(jīng)色散元件在空間上均勻展開，在透鏡焦面處形成一維線陣分布，各頻率成分與空間位置形成一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。通過表面反射，樣品不同位置的反射率和深度信息能編碼到不同頻率成分的幅度與相位上。通常光學(xué)頻率梳的頻率成分可達(dá)105，利用此技術(shù)就能實(shí)現(xiàn)單次多點(diǎn)的樣品信息加載探測(cè)，有效提高成像的速度。
加載樣品信息后的光頻光譜經(jīng)過雙光學(xué)頻率梳技術(shù)下轉(zhuǎn)換到射頻波段，再經(jīng)過普通探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，通過光學(xué)參考臂的對(duì)比即能反演樣品的多項(xiàng)信息。首先利用飛行時(shí)間法計(jì)算距離信息，測(cè)量精度在1s的平均時(shí)間下可達(dá)到159nm；其次通過不同頻率成分幅度和相位信息的反演可以分別得到樣品一維反射率曲線和深度曲線，再經(jīng)過y軸一維的機(jī)械掃描就能獲得2.28mm×1.8mm大靶面無畸變的2d反射率圖像和3d形貌圖像。對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)流時(shí)間僅為252ms，為快速形貌成像開辟了新的道路。相關(guān)研究成果發(fā)表在opt. lett.43,1606(2018)。
(原文標(biāo)題：基于光譜編碼的雙光學(xué)頻率梳3d快速成像技術(shù)研究)